Moldeo Por Inyeccion De Polvos 6a2t32

GRUPO I

MOLDEO POR INYECCION DE POLVOS

El moldeo por inyección de polvos es una tecnología pulvimetalúrgica avanzada de conformado de materiales que combina las ventajas del moldeo por inyección de plásticos y la tecnología de polvos. Su finalidad es la producción de componentes metálicos o cerámicos, partiendo de polvos y empleando un sistema ligante como medio de transporte para el conformado de las piezas, utilizando un proceso de sinterización. Esta técnica tiene su origen en los años veinte, pero no fue hasta 1979 cuando apareció la primera aplicación industrial. Se trata de la empresa Parmatech, en California (Estados Unidos). A partir de esta fecha, empezó a conocerse debido a su aplicación en la fabricación de piezas para aviones y cohetes. Durante la década de los noventa, se fue consolidando como una alternativa idónea para la fabricación de componentes de altas prestaciones y tuvo su momento de auge en Europa, tanto en el ámbito industrial como científico que le han convertido en una tecnología de procesado sumamente interesante para la fabricación de piezas de diferentes sectores. Actualmente, el PIM permite obtener piezas con mejores propiedades mecánicas que con los procesos pulvimelúrgicos tradicionales. Las principales ventajas que aporta son: 

Mejores propiedades finales y densificación uniforme: debido a que la densificación que se consigue está entre el 95% y el 99%, se mejoran las propiedades mecánicas, como la resistencia al desgaste, dureza, etc.

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Diseños más complejos: al ser un proceso de inyección real, se pueden fabricar piezas con geometrías complicadas, como ranuras, muescas, roscas, superficies curvas, etc.

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Bajo coste: cuando se fabrican mediante PIM grandes volúmenes de producción en poco tiempo, el coste queda rápidamente amortizado. Además las piezas suelen tener un alto valor añadido, no hay pérdidas de material porque puede ser reutilizado y no hace falta aplicar ninguna operación secundaria.

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Estrechas tolerancias: se obtienen tolerancias de hasta ± 0.3% sin necesidad de mecanizado.

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Acabado superficial: se obtienen piezas con acabados superficiales medios de 1µm.

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Aplicabilidad: se puede aplicar esta tecnología a gran variedad de materiales metálicos y cerámicos.

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Automatización: es un proceso fácilmente automatizable, aunque requiere una gran inversión.

Pequeñas piezas y formas Complejas

En cuanto a los inconvenientes: 

Piezas pequeñas: el tamaño no es una limitación, pero el PIM es más rentable cuando se producen piezas pequeñas en grandes cantidades.

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Peso: las piezas pequeñas deben tener un peso que oscile entre 0.02 y 200 gramos.

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Espesor: en ningún punto de la pieza, el espesor debe superar los 100 milímetros porque puede que no se complete la etapa de eliminación.

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Gran desembolso inicial: el nivel de automatización de la instalación es alta, y esto requiere una alta inversión.

Complejidad forma Vs Coste

El moldeo por inyección de polvos (PIM) engloba al moldeo por inyección de polvos metálicos (MIM) y el moldeo por inyección de polvos cerámicos (CIM). El MIM se compone de las siguientes etapas: 1. Selección de los polvos y del sistema ligante. 2. Proceso de mezclado. 3. Moldeo por inyección. 4. Eliminación del ligante. 5. Sinterización.

Esquema del proceso de moldeo por inyección de metales.

INTRODUCCIÓN Desde hace décadas, el Moldeo por Inyección de Polvos (MIP) está presente en la industria como proceso de conformado para la producción masiva de piezas. Con este proceso, novedoso y competitivo, se pueden obtener piezas metálicas y/ó cerámicas de alta complejidad de forma y gran resistencia mecánica con unos costes moderados. Estados Unidos y Alemania son los países que lideran el mercado de las piezas fabricadas mediante Moldeo por Inyección de Polvos. Sin embargo, la tecnología del MIP se extiende cada vez más en países desarrollados de Europa y Asia, por ser un proceso muy competitivo para determinados tipos de piezas. El MIP resulta esencial en la industria de utillaje odontológico y quirúrgico, la industria de ordenadores, la industria de relojes, etc. La tecnología del Moldeo por Inyección de Polvos se desarrolló para aprovechar las ventajas del conformado por moldeo mediante inyección y el conformado por sinterizado de polvos metálicos y/o cerámicos. Básicamente se trata de un proceso de sinterizado, en el que la pieza “en verde” se obtiene inyectando una mezcla de polvo metálico y/o cerámico y de ligante en el interior de un molde, que puede tener una geometría compleja. El proceso de sinterizado se utiliza para fabricar piezas a partir del material en forma de polvos. Hay metales que no se pueden conformar más que con el sinterizado debido a que su punto de fusión es muy alto. En el sinterizado convencional, la compactación es el procedimiento de dar forma a la pieza antes de obtener las propiedades finales mediante el sinterizado. Las forma obtenidas por compactación, sin embargo, no son muy complicadas puesto que la compactación es uniaxial. El MIP realiza un sinterizado pero con formas de pieza “en verde” más complejas. En el conformado por inyección, el material en estado líquido fluye bajo presión para llenar la cavidad de un molde, que puede presentar una alta complejidad. Hay diversos procesos de fabricación en los que un metal llena la cavidad de un molde para fabricar una pieza: fundición en coquillas, fundición por inyección, fundición prensada, fundición a baja presión, etc. En estos procesos, en el momento de la inyección el metal se encuentra en estado líquido y debido a la temperatura elevada tiene una fluidez suficiente para llenar la cavidad. En el MIP el material metálico ó cerámico está en forma de polvo y en la primera etapa se debe conseguir que éste llene una cavidad compleja. Las partículas de polvo se caracterizan por una rugosidad superficial que resulta en una alta fricción entre partículas, que presentan por tanto una fluidez muy baja. Por consiguiente, el polvo solo puede fluir si es mezclado con otro material, con una fluidez alta que permita que la mezcla de ambos alcance una fluidez suficiente para ser inyectada. Una solución lógica es el uso de termoplásticos puesto que con el aumento de temperatura y tasa de cizallado aumentan considerablemente su fluidez, según efecto conocido como “shear thinning”. El proceso de MIP combina una cantidad de polímero (fracción líquida) con el polvo metálico (fracción sólida), formando así la mezcla que puede ser conformada por inyección. Tras la inyección, el polímero se extrae con el proceso conocido como desligado (debinding) de forma que la pieza final esté compuesta básicamente por polvo metálico/cerámico.

Se pueden resaltar cuatro ventajas claves del MIP sobre otros procesos de conformado: _ Costo de producción relativamente bajo. El equipo es ligeramente distinto al de inyección de termoplásticos. _ Alta complejidad de formas con tolerancias estrechas. En pocos casos es necesario el acabado. _ Amplio espectro de materiales a los que se puede aplicar. _ Altas propiedades mecánicas de la pieza final. La densidad del orden de 96% de la densidad teórica. Esta es quizás una de las ventajas más importantes. Aunque el MIP se conoce desde hace varias décadas, su comercialización se remonta a los principios de los años ochenta. Al principio, el avance más importante del proceso fue en la fabricación de componentes para máquinas térmicas. Hoy en día, el MIP cubre un sector amplio de la industria, desde los utensilios odontológicos hasta los conectores electrónicos, compitiendo con procesos de fabricación rivales como inyección de metal fundido, sinterizado convencional, mecanizado convencional, etc. En la Figura 1-1 se muestra el campo de aplicación del MIP en función de la complejidad y la cantidad de piezas fabricadas (tamaño de serie). De acuerdo a estos criterios el MIP presenta ventajas competitivas en grandes series de piezas de alta complejidad.

Figura 1-1. Situación del MIP entre los procesos de fabricación rivales.

MOLDEO POR INYECCIÓN DE POLVOS El MIP se realiza mediante una secuencia de etapas. Antes de proceder con la descripción detallada de cada una, se resumirá el conjunto de las etapas del MIP (Figura 1-2). El proceso consiste en cinco fases:

Figura 1-2. Esquema de las etapas en el Moldeo por Inyección de Polvos. Mezclado: El mezclado es la preparación de la mezcla, consistente en mezclar el polvo con el ligante, que a su vez está compuesto por un conjunto o mezcla de materiales termoplásticos. Este conjunto está basado en termoplásticos comunes tales como cera o polipropileno a los que se añaden estearatos y activadores superficiales. El conjunto ligante crea un entorno de cohesión entre las partículas de polvo y aporta a la mezcla una alta fluidez. Su papel es actuar como un vehículo temporal para desplazar y repartir las partículas de polvo a todos los rincones de la cavidad. Esta mezcla, una vez preparada y homogeneizada en los tambores de mezcla, se enfría y seguidamente se transforma en granza que mantiene la homogeneidad obtenida durante el mezclado. De este modo, se almacena para ser suministrada al equipo de inyección. Moldeo: En esta etapa, la mezcla es calentada y plastificada mediante la rotación de husillo y está preparada para ser inyectada a la cavidad. El husillo se desplaza horizontalmente y la mezcla sale a través de la boquilla y fluye por los corredores, la entrada y finalmente llena la cavidad. Una vez completado el llenado, la pieza se mantiene bajo una presión de compactación para compensar las contracciones térmicas. La pieza

inyectada es de una forma similar a la pieza final aunque las dimensiones serán distintas debido a que una gran cantidad del volumen es ligante. La pieza se denomina pieza “en verde” y presenta unas prestaciones mecánicas muy bajas por lo que no se puede utilizar. Aunque la etapa de moldeo es idéntica a la inyección de termoplásticos, los parámetros de inyección tales como presión y fuerza de cierre, suelen ser de un mayor orden de magnitud. Asimismo, debido a su naturaleza bifásica y a pesar de la homogeneidad inicial, la mezcla sufre segregaciones entre la fracción sólida y la fracción líquida, que provocan que la pieza obtenida finalmente no posee una densidad homogénea. La segregación, es una de las mayores de las desventajas del MIP puesto que, de ser inadecuados los parámetros de diseño de la pieza, sus consecuencias aparecen en las etapas posteriores del MIP como defectos. Desligado: Es la fase en la que el ligante, que ha servido como vehículo temporal para rellenar el volumen de la cavidad con polvo, es eliminado. La pieza sigue teniendo las dimensiones de la pieza “en verde”, aunque su estructura presenta una gran porosidad residual debida a la eliminación de la totalidad del ligante que contiene. Como consecuencia, la pieza es muy frágil. Físicamente, esta tercera etapa es un proceso de extracción del conjunto ligante por técnicas de difusión térmicas, disolución o una combinación de dos. Las piezas se calientan despacio por lo que el ligante de las capas exteriores se evapora primero, mientras que el del interior de la pieza se funde y migra hacia la superficie donde se evapora. Las temperaturas de difusión pueden alcanzar 600°C con tasas de calentamiento de 1 °C/min. Y 3 °C/min., al principio y al final del proceso, respectivamente. Durante el desligado la pieza pierde hasta 95% del ligante. El resto se evapora al principio del sinterizado. Sinterizado: En esta fase, la pieza “en verde” desligada se sinteriza. El sinterizado elimina la porosidad, produciendo una contracción que da lugar a una pieza de alta densidad y propiedades mecánicas, preparada para su función. Después de la contracción, las piezas quedan con sus dimensiones reducidas. Si la relación de la fracción sólida y la liquida es igual en todas las zonas de la pieza, la contracción será homogénea y la pieza mantendrá su forma. En caso contrario, la pieza sufrirá deformaciones. El sinterizado tiene lugar en el horno de sinterizado, con una temperatura de orden de 1000°C (por ejemplo, entre 1120 y 1350°C para acero inoxidable). Cabe destacar que las dimensiones de la pieza final y de la pieza “en verde” difieren significativamente por la variación del volumen de la pieza debido a la extracción del ligante. Las dimensiones del molde en el MIP se calculan en base a la fracción sólida y la fracción líquida. Post procesado: Esta última fase, no siempre necesaria, consiste en un conjunto de operaciones finales que pueden aplicarse para modificar las características definitivas de la pieza (por ejemplo, su estado superficial). Después del sinterizado, la pieza tiene altas propiedades mecánicas que suelen ser superiores a las de las piezas obtenidas por otros procesos. Se han de mencionar procesos de acabado como la impregnación, la densificación y el tratamiento térmico. En la Tabla 1 se pueden ver los parámetros típicos en el Moldeo por Inyección de Polvos para distintas etapas del proceso. Aunque estos valores dependen del tipo de material, la forma de partículas y complejidad de la pieza, los valores mostrados son los más habituales.

Tabla 1. Parámetros característicos en el MIP. Capacidades del proceso Indudablemente, las ventajas del proceso de MIP son grandes. Aun así, el proceso tiene sus límites. Se puede afirmar como norma general que las formas viables para la inyección de plástico serán un buen punto de comienzo para el MIP. En cuanto a las ventajas principales se pueden destacar las siguientes: 1. En el caso de las formas sencillas, macizas y gruesas, el MIP no puede competir con el sinterizado con compactación, ni tampoco con el mecanizado convencional. El MIP es superior a sus rivales en el campo de piezas pequeñas y complejas, que son muy costosas para el mecanizado convencional y muy complejas para el sinterizado convencional. 2. El MIP supera al mecanizado convencional en el campo de metales difíciles de procesar por su dureza, alto punto de fusión, etc. así como en el campo de metales caros, donde la posibilidad de reutilizar el material que ofrece el MIP es su ventaja esencial. 3. Una alta productividad de piezas que, combinada con su complejidad de forma, es la combinación en la que el MIP es más competidor que sus rivales. Las recomendaciones sobre los límites de dimensiones en el MIP indican un valor máximo de 100 mm en las dimensiones mayores de la pieza, espesores máximos de 10 mm y un

volumen inyectado inferior a 100 cm3. Sin embargo, se han conformado piezas de dimensiones hasta 350 mm y espesores hasta 30 mm, pero, en esos casos el control y las condiciones de trabajo son muy específicos. Como norma general, las tolerancias obtenidas en el MIP son ±0.3 % de la dimensión (Tabla 2), aunque, el efecto de la segregación de fracciones puede perjudicar las tolerancias y disminuir el índice del proceso. Un factor que suele ser limitante son los costos de la producción del polvo. Las partículas de polvo que se utilizan en el MIP son de 20µm de diámetro medio y una distribución gaussiana. Estas partículas deben tener un estado superficial adecuado y los procesos para su elaboración pueden incrementar el coste de la serie de piezas significativamente.

Tabla 2. Límites dimensionales y de tolerancias en el MIP.

GRUPO II 1. MEZCLADO El mezclado es la primera etapa del Moldeo por Inyección de Polvos en la que se prepara la mezcla a inyectar combinando el polvo metálico y/o cerámico con un conjunto ligante. La relación del volumen de polvo respecto al volumen de la mezcla define la fracción sólida. Por su parte, el volumen del ligante frente al volumen de la mezcla define la fracción líquida. El propósito de esta etapa es la creación de una mezcla homogénea sin separación de fases (segregación) y con una distribución homogénea del tamaño de las partículas dentro de la misma, evitando las aglomeraciones de partículas. En caso de conjuntos ligantes basados en termoplásticos, el mezclado se realiza a temperaturas suficientemente elevadas para disminuir la viscosidad del ligante, pero sin alcanzar los límites que pueden causar su degradación. A su vez, la temperatura debe mantenerse acotada inferiormente para evitar una viscosidad demasiado baja que facilita la segregación. Una vez conseguida una mezcla homogénea, se procede a su enfriamiento y solidificación, y se corta en pelets (granza). En el proceso de mezclado, se introduce en primer lugar el ligante. Esto se realiza introduciendo uno a uno los componentes del ligante. El orden de introducción de cada

componente obedece a sus puntos de fusión. Una vez introducidos todos los componentes se eleva la temperatura para obtener una viscosidad adecuada del conjunto ligante. La temperatura final alcanzada está en el rango de 150 a 180ºC. Después del premezclado de los componentes de ligante, con duración de unos 30 min., se realiza el mezclado con el polvo metálico/cerámico. El tiempo total de mezclado no debe ser excesivo (suele ser inferior a las 2h), para no romper las cadenas moleculares de componentes del ligante de mayor peso molecular (polipropileno, polietileno). Se utilizan distintos tipos de mezcladores entre los que se encuentran: los de doble planetario, los extrusores de uno o dos tornillos sinfín, los mezcladores con filos en forma de “z” o “sigma”, los mezcladores con dos excéntricas, etc. En la Figura 1-3 se muestra un mezclador intensivo de dos tornillos sinfín tipo Banbery. Las propiedades termomecánicas y viscosas de la mezcla, dependen de las propiedades de sus componentes y su proporción. A continuación se estudiarán las propiedades de cada uno de los componentes para pasar finalmente a describir las propiedades de la mezcla, su dependencia con distintos factores y sus valores habituales.

Figura 1-3. Mezclador intensivo de dos tornillos sinfín tipo Banbery.

1.1.

FASE LÍQUIDA (LIGANTE)

El ligante o fase líquida de la mezcla que se inyecta en el Moldeo por Inyección de Polvos desempeña el papel del vehículo temporal del polvo para conseguir una distribución y empaquetamiento homogéneo de las partículas a lo largo de toda la cavidad del molde. Aunque en la pieza final el ligante no estará presente, y no influirá por tanto en las propiedades finales, es de gran influencia para el desarrollo del conjunto del proceso. Todo el comportamiento reológico de la mezcla durante la fase de llenado está relacionado principalmente con el ligante. Funciones del ligante El ligante tiene que desempeñar tres papeles muy importantes: 1. Posibilitar el flujo del material y conducir las partículas dentro de la cavidad del molde. Esta función requiere que el ligante posea una alta capacidad para mojar la superficie de las partículas de polvo y crear fuerzas adhesivas. La fluidez de un material es inversamente proporcional a la viscosidad del mismo. Por alta viscosidad causada por alta fricción entre partículas, la fluidez del polvo es muy baja. Por tanto, una fluidez suficiente de la mezcla se debe a la fracción líquida, es decir, al ligante. 2. Evitar aglomeración de partículas y su separación del ligante. Cuando la viscosidad es demasiado baja las capas del ligante son muy finas, facilitando la segregación. Para contrarrestar ese efecto se añaden polímeros de mayor masa molecular, que debido a su mayor longitud de cadenas moleculares forman capas más gruesas y dan lugar a una mezcla más compacta.

Tabla 3. Características deseables de un ligante desde distintos puntos de vista 3. Mejorar la adhesión entre los polímeros y el polvo. El conjunto ligante puede adicionalmente contener activadores superficiales o agentes de acoplado, designados a tal fin (por ejemplo, Silano, SiH4). En la Tabla 3 se representan las características y valores deseables que debe poseer un conjunto ligante. Los componentes utilizados para el conjunto ligante se seleccionan para ajustarse a la mayoría de estas características. No existe un solo componente polimérico capaz de ejercer las tres funciones y cumplir con la mayor parte de las características deseables. Por eso, el ligante es un conjunto de polímeros de distinto tipo. Para facilitar el flujo, se utilizan principalmente las ceras ya que, al tratarse de polímeros con masa molecular relativamente baja, tienen una viscosidad adecuada. Por tanto, son el componente del conjunto ligante, encargado de la buena fluidez de la mezcla. Los polímeros de mayor masa molecular como polipropileno, polietileno, etc. son adecuados para la cohesión de la mezcla e inhibición de la creación de capas finas de ligante entre las partículas de polvo. La tensión superficial líquido-sólido es la tensión que se crea entre la fase líquida y la fase sólida, es decir, entre las partículas de polvo y el ligante. Esta tensión se encarga de la cohesión de la mezcla. El polipropileno y polietileno crean una tensión superficial del o con las partículas suficiente para disminuir el efecto de segregación. Finalmente, los activadores superficiales y lubricantes más indicados son titanatos, fosfatos, estearatos, etc.

En los conjuntos ligantes, el polipropileno representan la mayor parte volumétrica, las ceras representan la menor parte, mientras que los lubricantes y los activadores superficiales son simplemente un aditivo. La necesidad de aplicar un conjunto ligante o sistema multicomponente tiene otros motivos adicionales. En el paso de desligado, el ligante comienza a difundir hacia la superficie para su evaporación. Conforme avanza el proceso, la temperatura se eleva de modo escalonado. Al alcanzar el punto de fusión de cada componente, ese componente migra hacia la superficie de la pieza para ser evaporado. Un solo componente llegaría a su punto de fusión en toda la pieza en un intervalo corto de temperatura, y siendo el coeficiente de expansión térmica de los polímeros alto, aparecería un gran riesgo de rotura y grietas internas en la pieza. Un contenido del 30% del menor componente asegura que cada uno de componentes formará su propia red de canales de salida. La temperatura de fusión de cera es menor que la del polímero (por ejemplo la temperatura de fusión de cera carnauba es de 80-87°C, mientras la del polipropileno es de 150°C). Por tanto, cuando el mayor componente empieza a extraerse, el menor ya se habrá extraído y evaporado, dejando los canales de difusión y evaporación libres. Tipos de conjuntos ligante Se pueden establecer cinco tipos de conjuntos ligante, que se utilizan en el MIP con el siguiente orden de frecuencia: 1. Conjuntos basados en termoplásticos. Se caracterizan por una viscosidad que depende de la temperatura y la velocidad de inyección, disminuyendo con el incremento de ambos parámetros. Por debajo de la temperatura de cristalización pueden tomar una estructura amorfa, semicristalina o cristalina. Los que toman la estructura amorfa son, en general, más dúctiles pero menos resistentes que los cristalinos. Los termoplásticos de cadenas Moleculares más cortas se suelen utilizar para prevenir la orientación molecular y, por tanto, un comportamiento no isótropo. 2. Conjuntos basados en termoestables. Los termoestables suponen la formación de enlaces químicos al polimerizar. Estos enlaces, a diferencia de los que se establecen en los termoplásticos, son irreversibles y fomentan una estructura rígida con una resistencia mayor que la que alcanzan los termoplásticos. En estos conjuntos ligantes se ha llegado a un compromiso en la combinación de ambos polímeros. Así los termoplásticos ofrecen una resistencia inicial y una mayor fluidez durante el moldeo, mientras los termoestables aseguran mejor resistencia de la pieza “en verde” tras el moldeo. 3. Conjuntos basados en agua. Cabe mencionar que en el moldeo a temperaturas muy bajas (< 0°C) se aplican sistemas de ligante basados en agua. En este caso, la mezcla fría se inyecta a la cavidad donde se hiela. El desligado en este caso es la fusión del hielo. 4. Conjuntos gelatinosos. Ciertos polisacáridos, ácidos poliamínicos y polímeros sintéticos reaccionan con el agua para formar una masa gelatinosa. Esa gelatina resulta en la formación de largas cadenas moleculares en las que poco ligante puede atrapar mucha agua. Eso facilita el desligado por tratarse de agua, pero exige mayor control a la hora de mantener las dimensiones diseñadas, debido de gran fracción volumétrica del agua que durante el desligado se evapora.

5. Conjuntos inorgánicos. Estos conjuntos se utilizan en pocos casos, mayormente en forma de sales cristalinas. 1.2.

FASE SÓLIDA (POLVO METÁLICO Y/O CERÁMICO)

El polvo (metálico y/o cerámico) constituye la fase sólida de la mezcla a inyectar. El éxito de un conformado por Inyección de Polvos depende mucho de las características del polvo, que influyen en su comportamiento y dependen de su preparación. Las características más importantes son las siguientes:  Tamaño y distribución de tamaño. El polvo utilizado en el MIP, pertenece a los denominados polvos finos. Los tamaños de partículas están entre 0.5 y 20 μm, con un diámetro equivalente entre 4 y 8 μm¹. Tras su obtención, el polvo se clasifica, en fracciones de distintos tamaños y formas. Estas fracciones se combinan con el fin de generar una distribución amplia de tamaños adecuada para un mejor empaquetamiento de partículas en la mezcla. La distribución ideal de fracciones para la inyección de polvo es la Gaussiana, aunque en la práctica se recurre a una distribución Gaussiana escalonada, compuesta por un número discreto de fracciones. La distribución con fracciones de grandes diferencias en tamaños favorece las aglomeraciones de las partículas, especialmente de las pequeñas. ________________________________

1 Las partículas no esféricas se caracterizan por el diámetro equivalente –se obtiene de la Expresión: D= -A/6, donde  representa la densidad teórica del material y A la superficie de la partícula medida por cualquier método.

Las aglomeraciones disminuyen la homogeneidad de la mezcla porque las partículas aglomeradas no se dejan penetrar por el ligante. Además, el tamaño de las partículas y su forma influyen directamente en la densidad aparente del polvo.  Estado superficial. El estado de las partículas del polvo afecta mucho al proceso de la inyección, ya que la forma y la rugosidad de las partículas determinan en gran medida la resistencia de la pieza después de la fase de desligado. Si la resistencia y la densidad de la pieza después del desligado no son adecuadas, la pieza se deshace igual que una torre de arena seca (swelling). Este fenómeno se debe al bajo ángulo de reposo entre las partículas (g), que es el ángulo que forma el polvo al verterse libremente sobre una superficie plana (Figura 1-4). Cuanto mayor sea el ángulo de reposo, mayor será la resistencia de la pieza después de desligado. El ángulo de reposo es característico de la distribución de tamaño y del estado superficial de las partículas. Cuanto más variada es la distribución y más rugosa es la superficie de las partículas, mayor es el ángulo de reposo. El valor objetivo del ángulo de reposo es de 55º. El estado superficial de las partículas poco propenso a aglomeración se puede obtener por vía química, recubriendo la superficie con unas películas que se repelen entre sí o bien cargando de electricidad negativa las partículas lo cual tiene el mismo efecto de repulsión.

Figura 1-4. Angulo de reposo  Densidad de acoplamiento (empaquetamiento). Es la densidad con la que se acoplan las partículas, es decir, la densidad del polvo al verterse en un recipiente. Depende de la distribución de tamaño, la forma y el estado superficial de las partículas. Una amplia distribución de tamaño favorece el incremento de la densidad de acoplamiento, ya que las partículas más pequeñas encuentran hueco entre las más grandes. Sin embargo, una mayor rugosidad superficial inhibe el aumento de la densidad de acoplamiento. En el estado de acoplamiento sin fuerza exterior (loose powder packing) el rango de las densidades es de 30 a 80% de la densidad teórica del material (el valor más típico es de 60÷64%) y es una primera orientación para prever como se van a distribuir las partículas después del desligado. Se puede estimar la contracción de la pieza para obtener la densidad de la pieza final, ya que cuanto más baja sea la densidad de acoplamiento, mayor será la contracción, como se puede observar en la Figura 1-5.

Figura 1-5. Contracción lineal tras el sinterizado en función de la densidad de acoplamiento.  Forma. Las formas irregulares de partículas resultan en una mayor resistencia de la pieza “en verde”, aunque no suelen acoplarse bien. Este efecto se puede eliminar hasta cierto punto ejerciendo una vibración durante el mezclado (tap density), pero en casos de gran irregularidad de formas el efecto de la vibración es limitado. En el MIP es preferible un polvo casi esférico, equiaxial. Producción del polvo Casi todos los metales pueden ser obtenidos en forma de polvo adecuado para MIP. El acero inoxidable es el material de mayor utilización, aunque el cobre, el tungsteno y el hierro se utilizan con mucha frecuencia. Aún así, el campo en el que el MIP presenta ventajas competitivas respecto de otros procesos es en el conformado de materiales raros y caros, ya que apenas se produce desecho y en muchos casos, estos materiales no pueden procesarse de otra forma. Existe una gran variedad de técnicas para la producción del polvo. En la Tabla 4 se exponen las más importantes. Las técnicas de la molienda y la reducción de óxidos son muy frecuentes. La molienda consiste en la molienda y rotura de las partículas grandes. En la reducción, sin embargo, el polvo cerámico se obtiene del óxido purificado en la forma muy fina. La reducción se efectúa mediante las reacciones termoquímicas con la participación de los gases reductores como monóxido de carbono e hidrógeno a temperaturas bajas para minimizar el sinterizado del producto del proceso. En la producción de polvo metálico también destacan la atomización por gas, por agua y por carbonilo.

Tabla 4. Características de diversas técnicas para la producción de polvos

Figura 1-6. Producción de polvo mediante atomización por gas inerte En la Figura 1-6 se representa el proceso de la atomización por gas. El principio de la atomización por agua o por carbonilo es el mismo. El metal fundido alimenta la boquilla de la expansión del gas donde el chorro del gas lo dispersa en gotitas que solidifican antes de tocar las paredes de la vasija. Los gases que se utilizan son aire, nitrógeno, helio, argón o vapor de agua.

1.2.1.

PROPIEDADES TERMOMECÁNICAS DE LA MEZCLA

Las propiedades de la mezcla del conjunto ligante y el polvo dependen de las características de éstos y de su participación en la mezcla. Las propiedades termomecánicas de la mezcla se pueden estimar según la denominada regla de la mezcla, según la cual, cualquier propiedad (Y) de la mezcla (m) depende de la fracción sólida (Φ) y de los valores de esa propiedad que caracterizan al ligante (l) y al polvo (p) y puede estimarse según: Ecc1: Ym =Yl + Φ* (Yp – Yl)

Tabla 5. Propiedades termomecánicas de la mezcla en el MIP Esta regla se aplica a propiedades tales como el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, el calor específico, etc. Los valores típicos de estos parámetros para la mezcla ligante-polvo se muestran en la Tabla 5. Fracción sólida crítica Puesto que la fracción sólida es un factor importante en la estimación de las propiedades de la mezcla, se debe comentar su posible variación. La fracción sólida representa la parte volumétrica del polvo en la mezcla. Su valor en la mezcla puede variar siempre que no sobrepase el límite denominado fracción crítica (Φc). El valor de la fracción crítica Φc representa el valor máximo que puede alcanzar la fracción sólida en la mezcla para que ésta pueda fluir. El valor de la Φc se ha investigado en numerosos ensayos, buscando su dependencia de las características del ligante y polvo y se ha deducido que: Ecc2: Φc = Φc (f, Ψ, αTp,

αTl, D) = 60 - 64%

Donde es f es la densidad fraccional del polvo, Ψ el índice de la esfericidad de las partículas, αTp, αTl los coeficientes de la expansión térmica del polvo y ligante y D es el diámetro medio de la partícula. Densidad de la mezcla Una de las propiedades mecánicas en las que tiene mayor influencia la fracción sólida es la densidad de la mezcla. Como ya se ha comentado, la densidad de acoplamiento del polvo se encuentra entre el 30% y el 80% de la teórica como valores típicos en el rango 5564%. Se define la densidad fraccional (f) como la densidad de la fracción sólida (polvo) respecto al volumen de la mezcla, que es distinta a la de acoplamiento. Si ƍp es la densidad del material del polvo, Vp su volumen y V es volumen total de la mezcla, la densidad fraccional se puede expresar como:

Ecc3: F =

ƍp * Vp / V

Cuando se añade ligante al polvo, por efecto de la tensión superficial sólido-líquido, se forma en torno a las partículas una capa de ligante que hace que las partículas se distancien ligeramente y por ello el valor de la densidad fraccional es menor que el valor de la de acoplamiento. Puesto que el ligante rellena todos los huecos la fracción sólida crítica c tiene el valor de la densidad fraccional, es decir sobre 0.7. Sin embargo, este valor es aún muy grande para que la mezcla fluya, por lo que se añade más ligante para disminuir la viscosidad.

Figura 1-7. Influencia de la fracción sólida en la densidad de la mezcla Supongamos que a una cierta cantidad de ligante vamos añadiendo polvo, mezclando continuamente. A medida de que lo hagamos, la densidad total aumentará porque el ligante irá rellenando los huecos entre las partículas de polvo introducidas. La fracción líquida aumenta mientras que la fracción sólida disminuye. Cuando la fracción sólida ha bajado por debajo de su valor crítico la densidad de la mezcla disminuye por ser la densidad del ligante menor que la del polvo. Por tanto, la línea teórica y la real se separan en el punto crítico (Figura 1-7).

Cuando en la mezcla la fracción sólida tiene el valor crítico, la cantidad de ligante basta solo para llenar los poros (Figura 1-8, izq.). Si disminuye el valor de la fracción sólida, aumenta el valor de la fracción líquida y hay ligante en exceso. Asimismo, aumenta la viscosidad (Figura 1-8, dcha.) y se facilita el flujo. Con el uso de una distribución de partículas polimodal, se consigue que mientras las partículas grandes se distribuyen de forma hexagonal, las de menor tamaño rellenan los huecos, aumentando la densidad fraccional. Dependiendo del valor de diámetros, el valor de la densidad fraccional máxima es mayor o menor, pero no supera el 75%.

Figura 1-8. Influencia de la fracción líquida en la separación de las partículas de polvo 1.2.2.

VISCOSIDAD DE LA MEZCLA

La viscosidad es el parámetro que relaciona la tensión de cizallado con la tasa del cizallado en un fluido en movimiento. La mezcla inyectada en el MIP tiene un comportamiento visco elástico porque experimenta ambos caracteres, elástico y viscoso. El carácter viscoso es el predominante cuando las temperaturas son elevadas (durante el moldeo), mientras que a la temperatura ambiente la mezcla se comporta como un cuerpo elástico. Además, cabe mencionar la existencia de un umbral de fluencia debido a los polímeros, que requiere que la mezcla sobrepase una tensión inicial para empezar a fluir. Por ello la mezcla del MIP se considera un fluido de Bingham. El cizallado () se define como el movimiento relativo de distintas capas de la mezcla, mientras que la tasa de cizallado (´) es su cambio en un intervalo de tiempo. La tensión necesaria para hacer fluir la mezcla es proporcional a la viscosidad () y se puede expresar como:

Ecc4:  =

 (d/dt) =  * ´

La viscosidad del agua y de fluidos semejantes es constante a una presión y temperatura fijas. Estos fluidos se conocen como Newtonianos. La viscosidad de un polímero es diferente y depende de la tasa de cizallado, disminuyendo con el incremento de ésta (shear thinning). Añadiendo la influencia de temperatura, la viscosidad del conjunto ligante, compuesto de varios polímeros se puede expresar como:

Ecc5: Donde

o

es la viscosidad en la temperatura To, E la energía de activación, Ro es la

constante de los gases (constante de Boltzmann). El exponente y 0.7.

 toma un valor entre 0.5

GRUPO III Información adicional importante: Un fluido no newtoniano es aquel fluido cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano. Aunque el concepto de viscosidad se usa habitualmente para caracterizar un material, puede resultar inadecuado para describir el comportamiento mecánico de algunas sustancias, en concreto, los fluidos no newtonianos. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades reológicas, propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de tensiones bajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio. Un ejemplo barato y no tóxico de fluido no newtoniano puede hacerse fácilmente añadiendo almidón de maíz en una taza de agua. Se añade el almidón en pequeñas proporciones y se revuelve lentamente. Cuando la suspensión se acerca a la concentración crítica es cuando las propiedades de este fluido no newtoniano se hacen evidentes. La aplicación de una fuerza con la cucharilla hace que el fluido se comporte de forma más parecida a un sólido que a un líquido. Si se deja en reposo recupera su comportamiento como líquido. Se investiga con este tipo de fluidos para la fabricación de chalecos antibalas, debido a su capacidad para absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el impacto se produce a baja velocidad. Un ejemplo familiar de un fluido con el comportamiento contrario es la pintura. Se desea que fluya fácilmente cuando se aplica con el pincel y se le aplica una presión, pero una vez depositada sobre el lienzo se desea que no gotee.

Dentro de los principales tipos de fluidos no newtonianos se incluyen los siguientes:

Tipo de fluido

Comportamiento

Plástico perfecto

Plástico de Bingham

Plásticos

Fluidos que siguen la ley de potencias

Características

La aplicación de una deformación no conlleva un esfuerzo de resistencia en sentido contrario

Ej.

Metales dúctiles una vez superado el límite elástico

Relación lineal, o no lineal en algunos casos, entre el esfuerzo cortante y el gradiente de deformación una vez se ha superado un determinado valor del esfuerzo cortante

Pseudoplástico

Fluidos que se Barro, algunos coloides comportan como seudoplásticos a partir de un determinado valor del esfuerzo cortante

Dilatante

Fluidos que se comportan como dilatantes a partir de un determinado valor del esfuerzo cortante

Seudoplástico

La viscosidad aparente se reduce con el gradiente del esfuerzo cortante

Algunos coloides, arcilla, leche, gel atina, sangre.

Dilatante

La viscosidad aparente se incrementa con el gradiente del esfuerzo cortante

Material de Maxwell

Combinación lineal en serie de Metales, materiales efectos elásticos y vis compuestos cosos

Fluido Oldroyd-B

Combinación lineal de comportamiento como fluido newtoniano y como material de Maxwell

Material de Kelvin

Combinación lineal en Betún, masa paralelo de panadera, nailon, plastilina efectos elásticos y vis cosos

Plástico

Estos materiales siempre vuelven a un estado de reposo predefinido

Reopéctico

La viscosidad aparente se incrementa con la duración del esfuerzo aplicado

Tixotrópico

La viscosidad Algunas variedades aparente decrece con de mieles, kétchup, la duración de algunas pinturas antigoteo esfuerzo aplicado

Fluidos viscoelásti cos

Fluidos cuya viscosidad depende del tiempo

Soluciones concentradas de azúcar en agua, suspensiones de almidón de maíz o de arroz.

Algunos lubricantes

2. MOLDEO

Figura 1-10. El ciclo del moldeo En la Figura 1-10 se representa el ciclo del moldeo en el MIP, en el que se distinguen tres etapas. En la primera etapa, el proceso comienza con la plastificación de la mezcla, introducida en la tolva del equipo de inyección en forma de granza. La tolva, igual que el husillo, está equipada con calentadores eléctricos para mantener la mezcla caliente. El movimiento giratorio del husillo asegura que la mezcla que se forma a partir de la granza sea homogénea. Una vez plastificada la mezcla, empieza la segunda etapa. El equipo de inyección se posiciona contra el bebedero del molde y el husillo se desplaza hacia el molde empujando así la mezcla a través de la boquilla al sistema de alimentación del molde. La mezcla, a través del bebedero y el sistema de alimentación, llena la cavidad de molde. La

presión, que ha ido aumentando, alcanza un valor al final del llenado que se mantiene constante durante un tiempo. Esta presión (presión de compactación) asegura la compensación de la contracción del material inyectado a medida que se enfría en la cavidad. Cuando el material ha solidificado, la presión de compactación deja de compensar las contracciones y el equipo de inyección puede retirarse. La pieza se va enfriando, mientras que el equipo de inyección vuelve a su posición inicial para iniciar un nuevo ciclo. Tras un tiempo de enfriamiento, cuando la temperatura de la pieza ha bajado lo suficiente y es inferior a la temperatura de solidificación, se abre el molde. En ese instante, la pieza ya tiene la resistencia suficiente para no deformarse en su expulsión. Sin embargo, la pieza sigue enfriándose tras expulsión hasta la temperatura del ambiente. Durante el tiempo de enfriamiento, el equipo de inyección está plastificando la mezcla para una nueva inyección. En la Figura 1-11a) se muestra la evolución teórica de la presión durante el ciclo de moldeo. Como se puede apreciar, después de un rápido incremento de la presión durante la inyección y llenado del molde, la presión se mantiene constante hasta el momento en el que se enfrían y solidifican las puertas de entrada al molde. Ese es el periodo denominado de compactación. A partir de este momento, es innecesario mantener la presión y como se observa, a medida que la mezcla va solidificando la presión en el interior de la cavidad disminuye, hasta el momento en que se produce su expulsión. En la Figura 1-11b), se muestra un diagrama de presión registrada durante un ciclo real.

Figura 1-11. Evolución de la presión durante el ciclo de moldeo: teórico a) y experimental b) Tiempo de ciclo El tiempo de ciclo del moldeo es una parte importante del tiempo total necesario para la fabricación de una serie de piezas. A su vez, el tiempo de enfriamiento es su mayor componente (Figura 1-12). Aún así, hay que decir que en la realidad no existe una división tan clara entre los componentes del tiempo de ciclo. El material empieza a enfriarse antes de que haya concluido el llenado. Es decir, algunos componentes temporales solapan. Sin embargo, esta división ilustra la participación de cada fase en el tiempo de ciclo total. Puesto que el tamaño de la serie en la fabricación por MIP es grande, un aumento del tiempo de moldeo se refleja en un aumento del tiempo total de fabricación. La posibilidad de disminuir el tiempo de ciclo del moldeo hay que buscarla principalmente en el tiempo de enfriamiento. No obstante, el coeficiente de conducción de los polímeros y, por tanto de la mezcla, varía mucho con el cambio de fase y la temperatura. Por otra parte, la distribución de temperaturas en la pieza es compleja, y su gradiente no es fácil de determinar. La estimación exacta del tiempo de enfriamiento, por tanto, resulta ser compleja.

Plastificación y llenado La plastificación empieza con la alimentación del husillo desde la tolva donde la mezcla en estado sólido y forma de granza empieza a calentarse. El movimiento giratorio del husillo tiene por objeto establecer el volumen de material a inyectar, así como continuar con el calentamiento de la mezcla hasta la temperatura establecida para su inyección. La mezcla se transporta por las hélices del husillo y se acumula en el espacio entre la punta del husillo y la boquilla. Cuando este espacio está lleno, el husillo se desplaza (Figura 1-13) para empujar la mezcla por el sistema de alimentación hacia la cavidad del molde.

Figura 1-13. Equipo de inyección El llenado se inicia cuando el material empieza a entrar a la cavidad. Es el periodo más corto del tiempo del ciclo de moldeo y normalmente tiene una duración de 0.1÷0.4s. Este tiempo depende de la velocidad del desplazamiento del husillo, es decir, de la capacidad de inyección de la máquina. Además, el tiempo de llenado depende de la propia pieza, puesto que cada pieza en función de la complejidad de su diseño tiene una velocidad de inyección óptima, es decir, un tiempo de llenado óptimo. Dado el carácter viscoelástico de la mezcla, existe una relación de dependencia entre la viscosidad de la mezcla, la velocidad de inyección y la presión necesaria para el llenado. Las piezas de menor espesor ofrecen mayor resistencia al llenado y necesitan una mayor presión para llenarse en el mismo tiempo. Además, exigen menor tiempo de llenado debido a que la pérdida de calor por la conducción a través de las paredes del molde puede producir la solidificación y por tanto la parada del flujo (short shots). El flujo volumétrico de la mezcla se mide por el caudal (Q) que es la relación entre el volumen inyectado de la pieza (Vp) y el tiempo de llenado (tll). El Q depende de la presión de inyección (p) y la viscosidad de la mezcla () según la expresión: Ecc12: Q = P/ ( * K) Sin embargo, la cavidad nunca es tan simple para que se pueda estimar fácilmente el valor de K. Compactación y enfriamiento En la fase de compactación el caudal decrece drásticamente, mientras que la presión aumenta. Cuando la mezcla deja de fluir, la presión se mantiene constante (presión de compactación) hasta que las entradas solidifican, permitiendo así la entrada de material para compensar las contracciones de la pieza durante el enfriamiento.

Durante la fase de compactación, la fracción sólida y la densidad vuelven a los valores iniciales. Cuando la mezcla se calienta en la tolva a la temperatura de moldeo, debido al alto coeficiente de expansión térmica del conjunto ligante, la fase líquida aumenta su volumen, disminuyendo la fracción sólida y la densidad de la mezcla. El enfriamiento de la pieza provoca la contracción de la pieza que termina con una relación entre fases similar a la inicial. En la Figura 1-14 se puede observar la evolución de la presión y la temperatura a lo largo del ciclo de moldeo. La evolución de la temperatura depende de la tasa de enfriamiento debida al flujo de calor por conducción. La masa de la pieza a la temperatura de inyección acumula cierta cantidad de calor (Ec). Conociendo la superficie de conducción (A) que es la superficie interior del molde y el coeficiente de conducción (kT), se puede determinar el flujo de calor (qc) en la dirección del espesor de la pieza (x) (Ecc13). Por consiguiente, si el coeficiente de conducción y la superficie son constantes, a partir del Ec y estimar el tiempo de enfriamiento.

qc se podría

Figura 1-14. Evolución de la presión y la temperatura durante el ciclo de moldeo. Ecc13:

qc = KT * A * dT/dx

En general, para cualquier tipo de material, el tiempo de enfriamiento varía con el cuadrado del espesor de la pared. Por esta razón, un mayor grosor de la pieza es un factor muy desfavorable en la fabricación de piezas por inyección, como es el caso del MIP. Se han realizado muchos trabajos para la estimación del tiempo de enfriamiento, en los que se mezclan la teoría y los resultados experimentales. Los resultados obtenidos no siempre se ajustan a la realidad, ya que hay muchos factores que no se tienen en

consideración. Sin embargo, estos resultados son válidos a nivel cualitativo y sirven de ayuda para poner de manifiesto la repercusión relativa de cada una de las variables que intervienen. Para el cálculo del tiempo de enfriamiento se supone que todo el calor se transmite por conducción a través de las paredes del molde, con el flujo definido por la Ecc13. Se desprecia el calor que se transmite por convección y radiación. Se puede aplicar la ecuación de conducción del calor unidimensional: Ecc14: dT/dt =

T * d²T/d²X

donde X representa la coordenada en el eje que coincide con la dirección del espesor de la pieza y  es el coeficiente de difusividad térmica [mm2/s], calculado para la mezcla según la Ecc1. Considerando que la apertura del molde y la expulsión de la pieza se pueden realizar cuando el punto más caliente ha alcanzado la temperatura recomendada, el tiempo de enfriamiento o tiempo de expulsión (texp) será:

Ecc15: donde texp representa el tiempo de enfriamiento [s], Smax el espesor máximo de la pared [mm], TM la temperatura del molde [ºC] y Ti la temperatura de la inyección [ºC]. Esta relación, sin embargo, tiene sus límites de aplicación y no se muestra correcta para los espesores muy finos en los que el tiempo de enfriamiento calculado es muy pequeño. Las recomendaciones fijan en 3 segundos el tiempo de enfriamiento mínimo recomendado. Expulsión El ciclo del moldeo termina con la expulsión de la pieza. Es conveniente establecer el mínimo valor de tiempo transcurrido hasta el instante de expulsión. De ese modo, el ahorro que se obtiene en la producción de una serie de piezas puede ser significativo. El instante de expulsión de la pieza viene marcado principalmente por los valores de la presión de compactación y la temperatura de la pieza. Mientras que la temperatura marca la consistencia de la pieza, la presión de compactación indica su facilidad de expulsión de la pieza. La combinación de estos valores establece una “ventana del proceso” (Figura 115) dentro de la cual la pieza tiene alta probabilidad de ser expulsada correctamente.

Figura 1-15. Presión y temperatura óptimas para la expulsión de pieza Una presión mayor que Pmax ocasiona el pegado de la pieza a las paredes del molde, que en caso de una gran superficie de o exige una mayor fuerza de expulsión y provoca marcas visibles en la pieza. Del mismo modo, una presión menor que Pmin provoca la aparición de concavidades en la superficie, incluso huecos en el interior de la pieza. Asimismo, la expulsión de la pieza con la temperatura menor que Tmin corre el riesgo de pegado de la pieza, mientras que si la temperatura es mayor que Tmax, pieza seguirá enfriándose fuera del molde, pudiéndose alabear y distorsionar. Los valores de presión dependen del tamaño de la pieza, mientras que la temperatura óptima de expulsión está entre 50 y 80 ºC.

GRUPO IV 3.

DESLIGADO

Fundamentos Tras la etapa de moldeo se obtiene la pieza “en verde” que tiene unas aplicaciones muy limitadas. El siguiente paso en la obtención de pieza es la extracción del ligante, que representa hasta un 40% de su volumen. El ligante debe ser eliminado completamente para el éxito de la etapa posterior de sinterizado. En caso contrario, durante el sinterizado existe una gran probabilidad de aparición de grietas, roturas y la contaminación por carbono. Esta contaminación es motivada por las altas temperaturas del sinterizado, que producen la combustión de los restos de ligante cuyo producto de combustión, por su naturaleza orgánica, es carbono. Además, la expansión de los gases de combustión provoca grietas y roturas. En algunos casos, no es posible quitar la totalidad de ligante de la pieza durante el desligado, por lo que el sinterizado se inicia con un precalentamiento en el que se evaporan los restos de ligante (pre sinterizado). La extracción del ligante durante el desligado se realiza mediante la difusión o disolución del mismo, facilitando el proceso con una temperatura elevada. Estos fenómenos de difusión y/o disolución, gobernados por el gradiente de concentración provocan la migración del ligante desde el interior de la pieza, donde la concentración es máxima, hacia el exterior. Durante ese proceso, en la pieza se van generando huecos/poros que forman los canales para la evacuación del ligante. En función de grado de avance de la extracción, se distinguen tres tipos de estructura en la pieza (Figura 1-25): _ Estructura saturada. _ Estructura funicular. _ Estructura pendular. Inicialmente, la estructura de las partículas de la pieza obtenida en la fase de inyección está saturada por el ligante. Conforme la pieza se va sometiendo al proceso de desligado, se abren huecos en aquellos lugares donde el ligante ya ha migrado, que van formando canales para continuar con el proceso. Es la estructura denominada funicular. Al final, la pieza presenta la estructura pendular. Durante esa evolución, en la que aumentan la porosidad de la pieza, se compromete la resistencia mecánica de pieza. Conforme se extrae el ligante, la superficie de las burbujas que se forman para reemplazar el ligante extraído crece. Puesto que la tensión superficial del líquido crece con el aumento de la superficie, aumentará también la fuerza de cohesión entre las partículas, estando en el o mediante el ligante que queda. La estructura funicular es la estructura intermedia en la que dentro de poros ya aparecen burbujas vacías posicionadas alrededor del o entre partículas. Aún con la estructura funicular la superficie de o líquido-vapor (que forman burbujas de aire y el ligante que resta) y líquido-sólido (el o entre el ligante y la superficie de partículas) son casi iguales, y por tanto las fuerzas de cohesión. Tras el desligado, la fuerza debida a la tensión superficial es la única resistencia de la pieza. Según la ley de Laplace, la tensión superficial necesaria para separar las partículas (p) es:

Ecc18:

Figura 1-25. Estructuras de la pieza durante el desligado donde R1, R2 son radios de curvaturas de las partículas en el o y σLS es la tensión superficial del o líquido-sólido. Por tanto, las partículas con el radio de curvatura menor y las de mayor energía del o poseen una mayor resistencia. Esto justifica el tamaño medio de partículas en la distribución gaussiana (4 a 8 μm). El flujo de la extracción es un flujo de difusión. Knudsen definió el flujo, como un flujo en un medio poroso, utilizando una expresión muy parecida a la ley de Darcy, que resulta válida para bajas presiones:

Ecc19: donde QJ representa el flujo de la extracción (flujo de Knudsen),

P es la difusividad del

material ligante, kB es la constante de Boltzmann, p/L representa el gradiente de la presión por unidad de recorrido del flujo. Añadir que la ley de Knudsen no tiene en cuenta la viscosidad del flujo. A presiones mayores, el flujo de difusión es definido por la ley de Darcy:

Ecc20: donde Q representa el flujo volumétrico, viscosidad y A la sección del flujo.

 es la permeabilidad del medio poroso, μ

es la

En la estructura pendular final, además del ligante que forma los enlaces entre las partículas de polvo, queda una película que recubre las partículas. El conjunto de ambos constituye lo que se denomina la saturación irreducible de ligante. En la Figura 1-26 se puede observar la evolución de la saturación desde la estructura saturada hasta la estructura pendular. El valor de la saturación irreducible depende de la técnica de desligado utilizada. En algunas es prácticamente despreciable, mientras que en otras llega hasta un 10%.

Figura 1-26. Evolución de la saturación durante el desligado 3.1.

TÉCNICAS DE DESLIGADO

El objetivo de la etapa de desligado, como se ha dicho, es la extracción de los polímeros que constituyen el sistema de ligante sin dañar la pieza. Se emplean dos tipos de técnicas: las térmicas y las de disolución. Las técnicas térmicas se basan en la eliminación del ligante mediante la movilización térmica. Entre ellas están:

1. Difusión. El ligante se elimina en forma líquido-gaseosa tras calentar la pieza y someterla al vacío parcial. La superficie de la pieza se barre con gases inertes continuamente para recoger los vapores de ligante. La ventaja de esta técnica es que se elimina prácticamente todo el ligante, mientras que la principal desventaja es la lentitud y el ablandamiento que puede sufrir la pieza. 2. Permeación. Es una técnica muy parecida a la difusión. La diferencia se encuentra en la presión, puesto que la permeación se realiza a presión ambiente. Se aplica en las piezas con una menor densidad de acoplamiento de polvo y por tanto con mayores poros. La instalación es más barata, pero es igual de lenta que la difusión. 3. Wicking. Es una técnica en la que la pieza se calienta a una temperatura que asegura una viscosidad del ligante suficientemente baja. La pieza se envuelve en un material más poroso que los poros finales de la pieza. Se forma así un flujo capilar entre la pieza y el substrato que extrae el ligante en esa dirección. Las técnicas de disolución se basan en el sumergir la pieza en un disolvente que ablanda/disuelve el ligante en la pieza y facilita su extracción. Las principales técnicas son: 1. Inmersión. La pieza se sumerge en una solución que disuelve la mayor parte del ligante. La principal ventaja es que la pieza queda más rígida, pero el tiempo de proceso aumenta, por la necesidad de secarla después del desligado. 2. Extracción supercrítica. Es un paso más en la inmersión porque la pieza es sometida a una presión y temperatura elevadas que fomentan el proceso de disolución. La pieza se deforma muy poco, pero el proceso es lento y exige alta precisión en el control de los parámetros. Todas estas técnicas descritas se pueden combinar para mejorar el desligado aprovechando sus ventajas. 3.2.

TIEMPO DE DESLIGADO

Desde un punto de vista productivo, un aspecto importante de la fase de desligado es el tiempo de desligado. El tiempo necesario para desligar una pieza es mucho mayor que el tiempo de moldeo, ya que el proceso de difusión/disolución es muy lento. Sin embargo, el horno de desligado carga un gran número de piezas con lo que se reduce el tiempo por pieza y el coste de fabricación. El tiempo de desligado de una pieza depende de sus dimensiones, sobre todo del espesor. Tres parámetros claves en el proceso del desligado son: la temperatura del horno, la tasa de calentamiento y el tiempo total de desligado. En la Figura 1-27 están contrastados el perfil de temperatura teórico, que define un crecimiento continuo de la temperatura con tiempo según una curva exponencial, y el real, donde el calentamiento se realiza gradualmente, manteniendo las piezas un tiempo en cada nivel de temperatura. En términos medios, la tasa de calentamiento es del orden de 1ºC/min. Se suele empezar con una tasa baja (sobre 0.2ºC/min.) que va aumentando para alcanzar 3ºC/min. a altas

temperaturas (más de 500ºC). Las temperaturas que alcanza el proceso dependen de la técnica aplicada, pero la temperatura media está entre 500 y 600ºC.

Figura 1-27. Perfil de temperatura de desligado con el tiempo 3.3.

HORNOS PARA EL DESLIGADO

Los hornos de desligado son muy variados debido a los diferentes métodos de desligado. Se pueden clasificar en hornos continuos y hornos discretos para una cantidad fija de piezas. Desde el punto de vista productivo, los hornos continuos son la mejor solución, porque permiten paso continuo de las piezas a través del horno sobre una cinta transportadora. Mientras unas piezas entran, otras salen desligadas de forma continua. Aún así, la velocidad de la cinta es muy lenta. Estos hornos no pueden mantener constantes las condiciones a lo largo del recorrido. La tasa de los hornos continuos suele ser de 2T/día.

Figura 1-28. Horno discreto Los hornos discretos (Figura 1-28) se cargan con una cantidad fija de piezas. No alcanzan tasas de desligado tan altas debido al tiempo necesario para descargar y cargar el horno, sin embargo, permiten asegurar las condiciones requeridas tanto en presión como en temperaturas. La cámara sellada permite la creación de alta presión, vacío y ambiente aislado. La difusión y permeación requieren el uso de hornos sellados. Las piezas se distribuyen sobre unas rejillas a una distancia apropiada para asegurar un buen barrido de los productos de evaporación por los gases empleados con tal finalidad. A menudo, la circulación de estos gases es forzada. En los sistemas más sofisticados se instalan sensores que miden la presencia de ligante evaporado en los gases salientes. Cuando el porcentaje cae por debajo de un límite establecido, el proceso se detiene. La construcción de los hornos que permiten el uso de disolventes es ligeramente diferente (Figura 1-29). Como se observa en la figura, las piezas están flotando en un baño de vapor solvente (típicamente basado en agua). El vapor condensa en las piezas, las atraviesa, disolviendo y recogiendo el polímero que extrae.

Figura 1-29. Horno para la disolución

4.

OPERACIONES DE POSTPROCESADO

Como etapa final, después del sinterizado, se pueden efectuar sobre las piezas algunas operaciones para mejorar sus características mecánicas finales. Entre estas operaciones destacan: la densificación y los tratamientos térmicos. 4.1.

DENSIFICACIÓN

En caso de algunos materiales, el sinterizado hasta altas densidades resulta difícil por distintas razones. La más frecuente es la falta de cohesión entre los granos debidos a un ambiente inadecuado que produce cambios de estado superficial de las partículas que impiden el sinterizado. El resultado es una gran porosidad residual que influye negativamente en las propiedades finales. Por ello se recurre a operaciones de densificación. Hay dos tipos de densificación. Uno es la infiltración de metal fundido (habitualmente aluminio) (Figura 1-36) y otro es la densificación por alta presión (HIPC, hot isostatic pressure compaction) (Figura 1-37). Es obvio que en el primer caso la pieza se enfrenta a la difusión de un material que se infiltra y rellena la red de poros. En el segundo caso, debido a la presión isostática y altas temperaturas, los propios granos se van acercando, eliminando así los poros. Por tanto, las dimensiones en el HIPC pueden disminuir ligeramente.

Figura 1-36. Densificación por infiltración de metal fundido

Figura 1-37. Densificación por alta presión 4.2.

TRATAMIENTO TÉRMICO

El paso final en casi todas las piezas férreas es el tratamiento térmico. En la Tabla 6 se pueden encontrar las técnicas más comunes utilizadas en el MIP. El templado y el recocido son dos de los tratamientos térmicos más frecuentes. El templado se utiliza sobre los aceros sinterizados con un nivel moderado de carbono para obtener una alta dureza superficial El recocido incluye el recalentamiento a altas temperaturas con el fin de aliviar las tensiones residuales y uniformar la estructura de la pieza.

Tabla 6. Tipos de tratamiento térmico como operaciones de postprocesado